Nyt batterikoncept baseret på fluoridioner kan forlænge batteriets levetid

Forestil dig ikke at skulle oplade din telefon eller bærbare computer i flere uger. Det er drømmen for forskere, der ser på alternative batterier, der går ud over de nuværende lithium-ion-versioner, der er populære i dag. Nu, i en ny undersøgelse, der vises i tidsskriftet Videnskab , kemikere ved flere institutioner, herunder Caltech og Jet Propulsion Laboratory, som administreres af Caltech for NASA, samt Honda Research Institute og Lawrence Berkeley National Laboratory, har ramt en ny måde at fremstille genopladelige batterier baseret på fluorid, den negativt ladede form, eller anion, af grundstoffet fluor.

"Fluorbatterier kan have en højere energitæthed, hvilket betyder, at de kan holde længere - op til otte gange længere end batterier, der bruges i dag, "siger studieforfatter Robert Grubbs, Caltechs Victor og Elizabeth Atkins professor i kemi og vinder af Nobelprisen i kemi i 2005. "Men fluor kan være udfordrende at arbejde med, især fordi det er så ætsende og reaktivt."

I 1970'erne, forskere forsøgte at skabe genopladelige fluoridbatterier ved hjælp af faste komponenter, men solid-state batterier virker kun ved høje temperaturer, hvilket gør dem upraktiske til hverdagsbrug. I den nye undersøgelse, forfatterne rapporterer endelig at finde ud af, hvordan man får fluoridbatterierne til at fungere ved hjælp af flydende komponenter - og flydende batterier fungerer nemt ved stuetemperatur.

"Vi er stadig i de tidlige udviklingsstadier, men dette er det første genopladelige fluoridbatteri, der fungerer ved stuetemperatur, " siger Simon Jones, en kemiker ved JPL og tilsvarende forfatter til det nye studie.

Batterier driver elektriske strømme ved at flytte ladede atomer - eller ioner - mellem en positiv og negativ elektrode. Denne shuttling-proces forløber lettere ved stuetemperatur, når væsker er involveret. I tilfælde af lithium-ion-batterier, lithium transporteres mellem elektroderne ved hjælp af en flydende opløsning, eller elektrolyt.

"At genoplade et batteri er som at skubbe en bold op ad en bakke og så lade den rulle tilbage igen, igen og igen, " siger medforfatter Thomas Miller, professor i kemi ved Caltech. "Du går frem og tilbage mellem at lagre energien og bruge den."

Mens lithiumioner er positive (kaldet kationer), de fluoridioner, der blev brugt i den nye undersøgelse, har en negativ ladning (og kaldes anioner). Der er både udfordringer og fordele ved at arbejde med anioner i batterier.

"For et batteri, der holder længere, du skal flytte et større antal afgifter. Det er svært at flytte flerladede metalkationer, men et lignende resultat kan opnås ved at flytte flere enkeltladede anioner, som rejser med forholdsvis lethed, " siger Jones, der forsker på JPL i strømkilder, der er nødvendige for rumfartøjer. "Udfordringerne med denne ordning er at få systemet til at fungere ved brugbare spændinger. I denne nye undersøgelse, vi demonstrerer, at anioner virkelig er værd at være opmærksom på inden for batteri videnskab, da vi viser, at fluor kan arbejde ved høj nok spænding. "

Nøglen til at få fluoridbatterierne til at fungere i en væske i stedet for en fast tilstand viste sig at være en elektrolytvæske kaldet bis(2, 2, 2-trifluorethyl)ether, eller BTFE. Dette opløsningsmiddel er det, der hjælper med at holde fluoridionen stabil, så den kan skubbe elektroner frem og tilbage i batteriet. Jones siger, at hans praktikant på det tidspunkt, Victoria Davis, som nu studerer ved University of North Carolina, Chapel Hill, var den første, der tænkte på at prøve BTFE. Mens Jones ikke havde meget håb om, at det ville lykkes, holdet besluttede at prøve det alligevel og var overraskede over det fungerede så godt.

På det tidspunkt, Jones henvendte sig til Miller for at få hjælp til at forstå, hvorfor løsningen virkede. Miller og hans gruppe kørte computersimuleringer af reaktionen og fandt ud af, hvilke aspekter af BTFE, der stabiliserede fluoridet. Derfra, holdet var i stand til at tilpasse BTFE-løsningen, modificere den med tilsætningsstoffer for at forbedre dens ydeevne og stabilitet.

"Vi låser op for en ny måde at lave batterier med længere levetid, " siger Jones. "Fluor er på vej tilbage i batterierne."